基于51單片機(jī)的無線信號(hào)編解碼技術(shù)研究

隨著微電子、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，由單片機(jī)和無線傳輸模塊組成的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在石油、電力、水文、冶金、安防等行業(yè)的無線控制、數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警等諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。而數(shù)據(jù)的編解碼對(duì)于無線傳輸可靠性的影響舉足輕重。目前編解碼方式主要有硬件編解碼和軟件編解碼兩種。本文在對(duì)已有硬件及軟件編解碼技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并通過STC89C516RD+單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種以軟件方式對(duì)傳輸數(shù)據(jù)編解碼的方法。
1 現(xiàn)有的編解碼技術(shù)
1.1 硬件編解碼技術(shù)
　目前有多種用于編碼和解碼的專用芯片，PT2262/PT2272是比較常用的一種。在通常的使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1~8腳為地址設(shè)定腳。有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源和接地，38為6 561，所以地址編碼不重復(fù)度為6 561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同時(shí)，才能配對(duì)使用。當(dāng)編碼啟動(dòng)端TE接低電平時(shí)，PT2262就將從數(shù)據(jù)輸入端D0~D3輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后從DOUT引腳串行輸出[1]，數(shù)據(jù)幀的高8位為地址，低4位為數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)以先高位、后低位的順序逐次發(fā)送。每一幀發(fā)送4次，每幀數(shù)據(jù)中間由同步碼隔開。PT2272只有在連續(xù)2次檢測(cè)到相同的地址碼和數(shù)據(jù)碼時(shí)才會(huì)把數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動(dòng)VT引腳同步為高電平[2]，將VT引腳反向后接入單片機(jī)的外部中斷輸入引腳，通過觸發(fā)中斷來通知單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)了。
PT2262/PT2272芯片功耗低、外部元器件少、工作電壓范圍寬。但這兩個(gè)芯片在應(yīng)用中必須對(duì)地址統(tǒng)一編碼，配對(duì)使用，而且需要通過改變硬件電路才能重新設(shè)置芯片地址；該編碼芯片的幀格式是固定的，不能隨意改動(dòng)，而且編碼的脈沖寬度需要調(diào)節(jié)外接振蕩電阻大小才能改變。這些都給用戶的使用帶來了極大的不便。
1.2 軟件編解碼技術(shù)
　在利用單片機(jī)和無線傳輸模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，使用軟件編解碼時(shí)通常會(huì)采用定時(shí)采樣的方式?？傮w設(shè)計(jì)思想如下：發(fā)送端通過定時(shí)器延時(shí)產(chǎn)生不同寬度的脈沖或脈沖組合來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)“0”和“1”的編碼。接收端對(duì)接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)采樣，然后通過計(jì)算識(shí)別出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。通過定時(shí)采樣的方式進(jìn)行解碼時(shí)，對(duì)采樣頻率具有比較嚴(yán)格的要求。根據(jù)奈奎斯特理論，只有采樣頻率高于發(fā)射信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)準(zhǔn)確還原[3]。但是中斷的響應(yīng)與返回以及數(shù)據(jù)的判斷都會(huì)造成時(shí)間延遲，因此，發(fā)射信號(hào)的頻率不能太高，否則容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)定時(shí)采樣需要多次調(diào)用中斷服務(wù)程序，增加了額外的時(shí)間開銷。這些都會(huì)降低無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?BR>2 改進(jìn)的編解碼技術(shù)
2.1 軟件編碼原理及程序流程
　編碼就是用不同形式的碼型來表示二進(jìn)制的“1”和“0”。本文采用的編碼方式為脈沖—間隙編碼，即在下一脈沖前的暫停持續(xù)時(shí)間t表示二進(jìn)制符號(hào)“1”，而下一脈沖前的暫停持續(xù)時(shí)間2t表示二進(jìn)制符號(hào)“0”[4]，脈沖—間隙編碼如圖1所示。發(fā)送端的信號(hào)分為同步信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)以及校驗(yàn)和信號(hào)，無線發(fā)射電路如圖2所示。經(jīng)過編碼后的信號(hào)由單片機(jī)的P1.7引腳輸出到無線發(fā)射模塊，然后無線發(fā)射模塊將基帶信號(hào)經(jīng)高頻載波電路調(diào)制后，通過天線向空間輻射。

　在發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)，由于對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)位、位數(shù)的判斷以及校驗(yàn)和的生成所產(chǎn)生的延遲時(shí)間不超過70T，其中T為機(jī)器周期，因此，定義100T的高電平脈沖代表“1”，而200T的高電平脈沖代表“0”。在接收端進(jìn)行解碼時(shí)，由INT1引腳上的下降沿觸發(fā)中斷并停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，進(jìn)而識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)，此過程中斷服務(wù)程序的延遲時(shí)間不超過50T。因此，設(shè)置數(shù)據(jù)位之間的低電平脈沖寬度為70T。為了不與數(shù)據(jù)信號(hào)混淆，將同步位定義為300T的高電平脈沖。本實(shí)驗(yàn)采用的石英晶體的晶振頻率為12 MHz，因此一個(gè)機(jī)器周期為1 μs，故一個(gè)字節(jié)的傳輸速率最快為5 882 b/s，最慢為3 703 b/s。

　軟件編碼程序流程圖如圖3所示，采用定時(shí)器0工作在方式1，即16位定時(shí)器工作方式，根據(jù)不同的輸出脈沖寬度需求向計(jì)數(shù)寄存器TH0和TL0中裝入不同的初始值。標(biāo)志位flags_0用來區(qū)分高電平脈沖和低電平脈沖，當(dāng)標(biāo)志位flags_0為0時(shí)輸出兩個(gè)數(shù)據(jù)位之間的低電平脈沖，不為0時(shí)輸出高電平脈沖。標(biāo)志位flags_1用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)位和同步位，當(dāng)flags_1為0時(shí)輸出數(shù)據(jù)位高電平脈沖，為1時(shí)輸出同步位高電平脈沖。在發(fā)送的過程中，每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就將該字節(jié)累加到校驗(yàn)和中，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完后就發(fā)送校驗(yàn)和。